[发明专利]混合式直流断路器

说明书

技术领域

本发明涉及一种混合式直流断路器，特别涉及一种通过电力电子门极可关断器件单元控制强制转移电路LC放电，实现无弧分断，并且将过零电流变化率限制在较低范围的断路器。

背景技术

近年来，随着电力系统容量的持续增长和用电负荷的不断增加，电网中的短路电流水平日益提高，尤其对于某些特定的用电场合，例如大型舰船上的供电系统、轨道交通供电系统等等，短路电流峰值可达到100kA 以上，且短路电流上升速率极高(超过20A/μs)。传统机械式断路器受其自身物理机构的限制，当其动、静触头分开时会产生电弧，延长了故障电流的切除时间，通常需要几十乃至上百毫秒才能完成分断，难以在短路电流上升期间将其分断。由于直流系统短路电流上升速度很快，如果用传统的机械式断路器进行分断，短路电流峰值往往已经超过了断路器本身的极限分断能力，使得断路器无法分断。同时，由于短路电流峰值极高，可能对运行在系统中的各个电力设备造成不可恢复的损害。

近年来，随着半导体技术不断发展，出现了基于电力电子门极可关断器件的固态开关，其主要特点是分断时间短，分断过程无电弧。但是，与机械开关相比，固态开关正常通流情况下损耗较大，发热严重，需要复杂的冷却系统，因此其额定承载能力有限。同时，在抗涌流能力，抗系统过电压方面，固态开关也有很大局限性。另一方面，在高压直流断路器分断过程中，由于分断电流峰值较大，电流过零时通常有很高的变化率di/dt，如图1中所示的曲线AB，不仅难以精确预测电流过零点，无法控制高速机构带动触头在电流过零点时打开，而且高的di/dt分断会产生很高的过电压，导致触头间介质击穿，进而造成开断失败。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足或缺陷，本发明的目的在于提供一种混合式直流断路器及其控制方法。采用基于高速真空开关和电力电子门极可关断器件控制LC放电技术，兼备了机械开关良好的静态特性以及电力电子门极可关断器件良好的动态特性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种无弧开断的混合式直流断路器，包括高速真空开关VB、LC强制转移电路、过电压限制电路以及控制系统，其中，

高速真空开关VB、LC强制转移电路以及过电压限制电路并联，

所述LC强制转移电路由预充电电容C、电感L和电力电子门极可关断器件串联组成，

当所述LC强制转移电路两端的电压达到过电压限制电路的导通阈值时，过电压限制电路导通，使得高速真空开关两端电压被限制在一定范围；

所述控制系统监测系统电流和高速真空开关VB电流二者的电流值及变化率di/dt，并根据监测结果向高速真空开关VB和电力电子门极可关断器件发出相应的控制命令。

另外，提出了一种用于所述断路器的控制方法，包括以下步骤：

（1）当系统短路故障发生后，如果检测到系统电流超过阈值，则所述控制系统首先控制高速真空开关中的盘式斥力线圈放电回路导通，使得高速真空开关实现分闸动作，再控制电力电子门极可关断器件导通，此时LC强制转移电路中的预充电电容C放电，其放电电流与高速真空开关中的电流方向相反，起到抵制高速真空开关中的电流的作用，使得流过高速真空开关中的电流开始下降；

（2）当高速真空开关中电流降至阈值i₂以下时，控制系统控制电力电子门极可关断器件关断，高速真空开关中电流上升，但不超过所述阈值i₂，控制系统根据高速真空开关打开需要的延迟时间确定高 速真空开关中电流上升时间，该上升时间完成后，控制电力电子门极可关断器件导通，高速真空开关电流下降；其中，重复导通和关断电力电子门极可关断器件，控制高速真空开关电流值始终处于所述阈值i₂以下，并且电流整体呈下降趋势，从而降低高速真空开关电流过零点附近的变化率，实现平稳过零；

（3）在电流过零时，高速真空开关无弧打开；当LC强制转移电路两端电压达到系统过电压阈值时，过电压限制电路导通，使得高速真空开关两端电压被限制在一定范围；由于过电压限制电路两端电压高于系统电压，混合式直流断路器中流过的电流迅速下降至0，从而完成整个开断过程。

附图说明

图1是高速真空开关电流i_M变化曲线图；

图2是电路整体拓扑结构图；

图3是高速真空开关原理示意图；

图4是控制系统框图。

具体实施方式